连续钢桁拱桥中跨合龙施工技术分析

彭南越

摘要：某高速公路大桥钢梁采用临时支墩搭设膺架半悬臂拼装法架设，并在中跨设置临时杆件代替柔性吊索对拱桁进行临时支承。文章分析了该大桥施工特点和现场条件，通过临时支墩卸载和顶落梁、钢桁拱预偏、纵移等技术措施有效消除了合龙口各位移差，确定合龙杆件按照下弦、斜杆、上弦和系杆的顺序进行逐步调整和安装，避免不同位移调整措施之间的相互影响，使钢桁拱按照设计无应力长度进行顺利精确合龙，最大程度减少大吨位钢桁拱在顶落梁和纵移等重大工序上的工作量，确保了大桥架设精度和结构受力安全。

关键词：钢桁拱；悬臂拼装；临时支墩；合龙；施工技术

中图分类号：U448.22⁺4

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）05-0124-03

1 工程概况

某高速公路大桥采用连续钢桁拱结构，跨径为（108+288+108）m，桥面总宽43.5m。钢桁拱2片主桁间距为37m，主跨下拱圈矢高55m。2片主桁拱之间设有纵、横向联结系，采用与下弦（或系杆）焊接的正交异性整体桥面板。主拱肋通过柔性吊杆与刚性系杆连接，传递桥面恒载和活载。主桁拱肋上、下弦杆、边跨下弦杆以及系杆采用焊接箱形截面；腹杆采用焊接H形截面。主桁和桥面系钢材采用Q370-q D，联结系钢材采用Q345 q D。吊杆采用钢绞线整束挤压拉索，吊杆最大长度为58m。

大桥立面总体布置如图1所示，钢桁拱横断面构造如图2所示。

2 总体施工方案及中跨合龙特点

较多的大跨度连续钢桁拱桥边跨采用膺架法半悬臂架设，中跨采用临时吊索塔架的辅助施工方法。而该大桥连续钢桁拱的边跨和中跨均采用半悬臂架设，临时结构规模较为庞大，具体施工步骤如下：①边跨钢桁拱采用膺架法半悬臂架设。②中跨钢桁拱根据设计要求分别在C13、C17两个桥面系杆节点位置处设临时支墩（南、北岸对称设置，中跨共设4个临时支墩），在对应的桥面与拱肋间设置桁架式撑杆（见图3和图4）临时替代柔性吊杆，以支承拱桁的悬臂部分。③中跨合龙节间设置在北岸E20′E21′节间，南岸架设至E20E21节间后，南岸上弦的架梁爬坡吊机退回至A17节点；北岸钢桁拱架设至中跨E19′E20′节间，利用北岸架梁爬坡吊机架设合龙节间的杆件和桥面板。④中跨钢桁拱合龙后，拆除临时支墩和临时立柱，张拉吊杆，铺装二期恒载。

中跨的临时杆件、L5和L6临时支墩的横桥向布置如图3所示，合龙前钢桁拱的架设状态如图4所示。

该大桥的中跨合龙存在以下技术难点：

（1）中跨跨中合龙口存在上、下弦杆，斜杆和桥面刚性系杆有多个合龙点。由于大跨钢桁拱桥在合龙前、后需要进行体系转换，合龙口两侧必然存在高程、里程和转角的不同位移差；受到杆件制造误差和现场拼装误差的影响，还可能存在轴线方向的位移差。

（2）中跨合龙前的单侧临时支墩起顶重量达2166t，起顶荷载大，临时支墩承受巨大的支反力。在钢桁拱纵移过程中需承受水平推力，临时支墩的受力安全是合龙位移调整过程中的控制性条件之一。

因此，如何确定钢桁拱多个合龙点的位移差调整顺序和调整量、在大吨位钢桁拱位移调整的同时确保钢桁拱和临时结构的受力安全是大桥施工过程中最重要的技术难题。通过对中跨合龙口各种可能的位移差调整措施进行详细研究，确定最优的合龙方案，实现各合龙杆件按照设计无应力长度精确合龙，最大程度减少大吨位钢桁拱在顶落梁和纵移等重大工序上的工作量，有效地保证了大桥的架设精度和临时结构的受力安全。

3 合龙技术

首先根据大桥的实际施工过程计算至钢桁拱中跨合龙前的架设状态。以此状态作为合龙分析的初始条件，对各种可能的技术措施进行理论计算，如临时支墩的顶落梁或卸载、环境温差、对顶力，以及合龙杆件安装顺序等，从而判断其是否有利于减少合龙口位移差，及其对位移差调整的影响程度。根据分析结果，确定合理可靠的合龙技术方案。

大桥连续钢桁拱中跨合龙前钢桁拱架设状态如图4所示：①南岸钢桁拱安装至E20E21节间，北岸钢桁拱安装至E19′E20′节间；②南岸架梁吊机前轮站位A17，北岸架梁吊机前轮站位A19′；③边墩支座纵向可动，主墩（拱脚）支座纵向临时固定，中跨4个临时支墩处约束对应桥面节点的竖向位移。大桥连续钢桁拱合龙前受力示意如图5所示。

3.1合龙前的位移和内力初始状态

钢桁拱中跨合龙前，悬臂端位移的计算结果如表1所示。

合龙前南岸主桁杆件最大组合拉应力为149.0MPa，最大组合压应力为168.6MPa；北岸主桁杆件最大组合拉应力为119.7MPa，最大组合压应力为133.7MPa。L5临时支墩和L6临时支墩处临时杆件的最大组合拉应力为66.7MPa，最大组合压应力为61.4MPa。

3.2 L5临时支墩支承卸载对拱桁合龙口位移的影响

计算合龙口两侧的L5临时支墩支承单独卸载工况，以分析其是否有利于减小中跨合龙口两侧位移差，以及其对结构受力影响。计算结果表明，L5临时支墩的卸载有利于减小拱桁合龙口两侧的位移差，且钢桁拱和临时结构受力均能满足要求。

3.2.1对拱桁合龙口位移的影响

L5临时支墩支承卸载前、后拱桁合龙口位移变化的计算结果如表2所示。

从表2的位移计算结果来看，合龙前L5临时支墩支承卸载对拱桁合龙口处的位移差调整有以下优势：①使南、北岸钢桁拱合龙口前端上拾约20mm，悬臂前端的转角差也有所减小，有利于减小合龙口两侧竖向位移差；②减少一处支承边界，降低静定次数，有利于后续理论分析；③减少钢桁拱顶落梁的作业点，可提高施工作业效率。

3.2.2对结构受力的影响

L5临时支墩支承卸载前、后各钢桁拱支点反力变化的计算结果如表3所示。

从表3的计算结果可以看出，L5临时支墩卸载后，L6临时支墩的支反力增大。对中跨L5临时支墩卸载后的结构进行受力验算，具体验算结果如下。

（1）钢桁梁。L5临时支墩支承卸载后，南岸主桁杆件最大组合拉应力为157.1MPa，最大组合压应力为172.3MPa；北岸主桁杆件最大组合拉应力为123.0MPa，最大组合压应力为138.3MPa。主桁杆件的最大压应力增大约4MPa，最大拉应力增大约9MPa。最大组合应力（172.3MPa）小于Q370钢材施工阶段容许强度（220MPa×1.2=264MPa）。

（2）代替吊杆的临时杆件。L5临时支墩支承卸载后，临时杆件的最大组合拉应力为67.4MPa，最大组合压应力为66.9MPa。临时杆件最大拉应力增大约1MPa，最大压应力增大约5MPa。最大组合应力（67.4MPa）小于Q235钢材施工阶段容许强度（140MPa×1.3=182MPa）。

（3）L6临时支墩。对于L6临时支墩，在支反力和水平摩阻力（钢桁拱纵移引起）共同作用下，通过限位措施将墩顶水平位移限制在4cm以内时，L6临时支墩钢结构的最大组合拉应力为125MPa，最大组合压应力（162MPa）小于Q235钢材施工阶段容许强度（140MPa×1.3=182MPa），钢结构强度满足要求。对L6临时支墩整体和构件进行了稳定性验算，均满足规范要求。

验算结果表明，主体结构和临时结构受力均能满足《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025—1986）要求。

3.3合龙口的位移敏感性分析

3.3.1拱桁

在L5临时支墩卸载的条件下，对拱桁合龙口两端4个合龙节点进行敏感性分析，分析结果如表4所示。

根据表4拱桁合龙口位移敏感性分析结果，L6临时支墩起顶对拱桁竖向位移差的调整最有效。拱桁合龙口上、下弦节点的纵向位移差对L6临时支墩起顶也比较敏感，合龙口上弦节点纵向对顶荷载对竖向位移差和转角差有一定影响，但远小于L6临时支墩起顶的敏感程度。整体温度荷载对纵向位移差有较为明显的影响，但对竖向位移差和转角差影响较小。计算表明，横向对拉1000kN时，节点E21产生的横向位移为87mm，节点E20产生的横向位移为-31mm，横向对拉等荷载对拱桁轴线偏位效果明显。

3.3.2系杆合龙

拱桁合龙后，桥面系杆合龙口位移敏感性分析结果如表5所示。

根据分析结果，拱桁合龙后，L6临时支墩顶落梁对系杆合龙口的竖向位移差和纵向位移差的影响均较为明显；边墩支座和L6临时支墩顶落梁对纵向位移差的影响程度大致相当，均较为明显。南侧C20C21桥面板的恒载、纵向顶拉等荷载对合龙口的竖向位移和纵向位移也有一定影响。

4 中跨合龙方案

根据大桥钢桁拱合龙前的实际架设状态，以及位移敏感性分析结果，确定中跨合龙口的位移差调整措施及合龙步骤如下：

4.1拱桁纵向里程位移差调整。根据计算结果，理论状态下拱桁合龙口所需的里程差调整量为249mm。北岸边跨钢桁拱架设完毕，在调整钢桁拱的里程和中心时，将北岸钢桁拱预先纵移至所需调整量，初步消除拱桁合龙口的里程差，避免大吨位钢桁拱在合龙前的大幅度位移调整。

4.2拱桁竖向位移和转角差调整。钢桁拱纵向里程差调整完毕，先对L5临时支墩进行卸载，然后测量拱桁合龙口上、下弦4个合龙节点的竖向、纵向和横向的实际位移差，根据位移敏感性分析结果，拱桁合龙口的高程和转角位移差调整措施为：南岸钢桁拱的L6临时支墩起顶265mm，北岸钢桁拱的L6临时支墩起顶205mm。

4.3拱桁合龙。位移差基本消除后，再利用温差或顶拉设施微调里程和中线差，待具备合龙条件时，精确合龙下弦杆E21E20′，此时斜杆E21A20′的节点间距也与设计长度基本相等，安装斜杆。此时上弦节点距离比杆件设计长度约小1cm，利用对顶设施调整间隙，合龙上弦杆A21A20′。下弦合龙后，及时释放北岸拱脚支座的纵向临时约束。

4.4桥面刚性系杆合龙。拱桁合龙后，桥面刚性系杆合龙口比设计长度小199mm。将南、北岸L6临时支墩起顶量分级下落至设计高程，系杆合龙口随之缓慢张开，当系杆合龙口张开至略大于设计值时，安装系杆，然后利用温差或顶拉设施微调后精确合龙。

4.5安装合龙节间桥面板，完成中跨钢桁拱合龙。

4.6在中跨合龙过程中，对钢桁拱的线形、关键受力杆件的应力、以及临时支墩的墩顶水平偏位等重要控制指标进行实时监测，并按照既定限值进行严格控制，确保结构安全。

5 结语

某高速公路大桥是一座主跨288m的连续钢桁拱桥，采用半悬臂拼装方法施工，在中跨跨中合龙时，合龙口的多个合龙点在高程、里程、轴线以及转角等方向存在不同位移差，且临时结构规模大、钢桁拱吨位重。为确定有效的位移调整方案来实现钢桁拱的精确合龙，对合龙位移调整措施进行了研究。结果表明：拱桁合龙口的里程位移差可通过钢桁拱的纵向预偏或纵移进行消除，其高程和转角的位移差通过临时支墩顶落梁调整最为有效；桥面刚性系杆合龙口的高程和里程的位移差可通过临时支墩顶落梁进行消除；各合龙点的轴线位移差可通过横向对拉调整。